ГИДРО – И АЭРОСТАТИКА
Введение
Цель – научиться демонстрировать основные явления гидро- и аэростатики.
Научиться определять принадлежность демонстраций к конкретной школьной теме 7-9 классов и 10-11 классов, используя нормативные документы (федеральный компонент государственного образовательного стандарта общего образования), рекомендованные учебники физики для образовательных учреждений, программы по физике.
Особенность данной темы состоит в том, что некоторые вопросы (закон Паскаля, архимедова сила и т.д.) изучаются только в 7- м кл. и не повторяются в старшем концентре обучения физике. Необходимо обратить внимание учащихся на следующие вопросы:
1. Важнейшие свойства покоящихся жидкостей и газов изучают на основе знаний молекулярного строения вещества и силы. Основным является закон Паскаля, а действие силы Архимеда, атмосферного давления и т.д. рассматривают как следствие этого закона.
2. При формировании понятий “вес воздуха”, “атмосферное давление” желательно опираться на знания, полученные учащимися в курсе естествознания (5-й кл.) и физической географии (6-й кл.).
3.Свойства жидкостей и газов изучают параллельно в сравнении друг с другом, что позволяет учащимся применять теорию на практике. При этом широко используется демонстрационный эксперимент.
В работе рассмотрены некоторые демонстрационные опыты по свойствам жидкостей. Можно предложить следующую последовательность изучения темы:
Свойства жидкостей и газов. Покажите опыт № 1. Обратите внимание на то, что эти свойства жидкостей обусловлены особенностями их молекулярного строения и характером движения молекул – большой подвижностью. Подвижностью молекул объясняется и текучесть жидкостей. Покажите текучесть различных жидкостей (краски, масла, воды). Обратите внимание на то, что при переливании “густой”” жидкости вначале образуется возвышенность, затем уровень жидкости становится горизонтальным. Покажите горизонтальную поверхность жидкости (опыт № 2). Введите понятие свободной поверхности жидкости, далее уточните, что вследствие подвижности частиц и действия сил взаимного притяжения между ними жидкости могут образовывать маленькие капельки. Обратите внимание на сферическую форму жидкости в условиях невесомости.
Свойства газов – последовательность аналогичная (форма, объем, текучесть).
Закон Паскаля – давление, производимое внешними силами на жидкость или газ, находящиеся в замкнутом сосуде, передастся одинаково во всех направлениях.
Сначала рассмотрите вопрос о давлении газов, затем причины возникновения давления в жидкости. Выводы подкрепите опытом № 4. В качестве практического применение закона Паскаля для жидкостей рассмотрите гидравлическую машину.
Давление в жидкости и газе. Покажите и объясните опыты №5 (2), №6, №7.
Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда. Вопрос рассматривается в опыте № 5.
Сообщающиеся сосуды. Подчеркивается практическая значимость изучения вопроса. Применение сообщающихся сосудов показывают в задании № 3.
Атмосферное давление. Важно показать связь с ранее изученным материалом в теме «Насосы и приборы для измерения давления».
Действие жидкости и газа на погруженное в них тело. Опыт № 8-10.
Сила Архимеда. Закон Архимеда. Опыт № 11. В определении силы Архимеда должны быть выделены следующие моменты:
– F A действует на тела и в жидкости, и в газе;
– сила направлена вверх;
– сила равна весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела (при частичном погружении тела).
Формулировка закона может быть представлена в следующем виде «Тело, погруженное в жидкость или газ, выталкивается вертикально вверх с силой, равной весу жидкости или газа в объеме тела (или его погруженной части)».
Последовательность изучения закона Архимеда такова: архимедову силу устанавливают с помощью опытов № 8 – № 11, затем на основе закона Паскаля и весового давления теоретически объясняют.
Плавание тел. Показывают опыт № 13. Надо ответить на вопрос, почему одни тела в жидкости тонут, другие плавают, третьи всплывают? Затем сделать теоретический вывод, или провести лабораторную работу, а также урок по решению экспериментальных задач. Показать опыты № 12, 14.
Выполнение практических заданий
Задание 1. Покажите, что жидкость занимает определенный объем, принимая форму сосуда.
Оборудование: подкрашенная вода, мензурка, колба, химический стакан.
Для подтверждения этого перелить подкрашенную воду в сосуды различной формы, например в мензурку, колбу, стакан.
Задание 2. Покажите наличие свободной поверхности жидкости.
Оборудования: кристаллизатор с водой, отвес, чертежный угольник.
Горизонтальность свободной поверхности жидкости, налитой в широкий стеклянный сосуд (кристаллизатор, аквариум), покажите с помощью отвеса и чертежного угольника (рис. 40).
Полезно при этом наклонить сосуд, чтобы показать, что поверхность жидкости остается горизонтальной.
Взяв стакан и наклоняя его над кюветой, покажите, что жидкость выливается из сосуда вследствие сохранения горизонтальности ее свободной поверхности.
Задание 3. Продемонстрируйте принцип действия сообщающихся сосудов.
Оборудование: сообщающиеся сосуды, стеклянная воронка, резиновая трубка, модель котла с водомерным стеклом.
Сообщающиеся сосуды (рис.41).
Одинаковые уровни жидкости в сообщающихся сосудах показывают, наполнив их подкрашенной водой. Сообщающиеся сосуды можно сделать из двух стеклянных трубок или воронок, соединенных между собой резиновой трубкой, которая снабжена краном или зажимом.
Фонтан (рис. 42).
Для демонстрации фонтана может служить стеклянная воронка и трубка с оттянутым концом, соединенные резиновой трубкой, желательно с винтовым зажимом или краном.
Модель котла с водомерным стеклом
Прибор (самодельный) собирают из двугорлой склянки (или стеклянной воронки) и трубки изогнутой (примерно до половины прибора) и заполняют подкрашенной водой.
Манометр жидкостный
Этот прибор служит не только для обнаружения давления внутри жидкости, но и для демонстрации сообщающихся сосудов.
Задание 4. Продемонстрируйте закон Паскаля (рис. 43).
Оборудование: шар Паскаля, сосуд с водой.
Жидкость вытекает из всех отверстий с одинаковой интенсивностью, показывая тем самым, что давление, производимое на нее, передается во все стороны в равной мере.
Задание 5. Продемонстрируйте давление жидкости на дно и стенки сосуда.
Оборудование: сосуд с отверстиями, прибор для демонстрации гидростатического парадокса.
Гидростатический парадокс
Независимость давления жидкости на дно сосуда, в который она налита, показывают с помощью прибора (рис. 44).
Сосуд с отверстиями (рис. 45).
По интенсивности струй делают вывод, что давление увеличивается с возрастанием глубины.
Примечание: Уровень жидкости надо поддерживать постоянным.
|
|
Задание 6. Продемонстрируйте давление внутри жидкости.
Оборудование: манометр демонстрационный водяной с капсюлем на конце резинового шланга, соединенного с манометром.
Капсюль для измерения давления внутри жидкости соединен резиновой трубкой с водяным манометром. Поворачивая с помощью проволочной тяги капсюль перепонкой вниз, в сторону и вверх, покажите равенство давлений на одной и той же глубине по различным направлениям.
Перемещая капсюль вверх и вниз, продемонстрируйте зависимость давления от глубины погружения.
Повернув капсюль перепонкой вниз, продемонстрируйте обнаружение давления в жидкости снизу вверх.
Задание № 7. Покажите давление жидкости снизу вверх.
Оборудование: аквариум с водой, прозрачный цилиндр, металлический кружок, нить.
Удерживая кружок ниткой, погрузите цилиндр в воду (рис. 46). В цилиндр осторожно налейте воду на 1–2 см ниже уровня ее в сосуде. Затем трубку осторожно поднимите кверху. Кружок отпадает в тот момент, когда уровни воды в трубке сравняются.
Задание 8. Покажите, что на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила.
Оборудование: пружина, однородное тело цилиндрической формы, аквариум с водой.
Прикрепите к пружине тело. Покажите растяжение пружины в воздухе и при его погружении в воду.
Задание 9. Покажите качественно, что величина выталкивающей силы, действующей на тело со стороны жидкости, зависит от объема погруженного тела (рис. 47).
Оборудование: рычаг, тела различных объемов, два химических стакана с водой, штатив с муфтой.
Задание 10. Покажите качественно, что величина выталкивающей силы, зависит от удельного веса жидкости.
Оборудование: рычаг, тела одинакового объема, два химических стакана с водой и раствором поваренной соли, штатив с муфтой.
Задание 11. Покажите, что выталкивающая сила, с которой жидкость действует на погруженное в нее тело, равна весу жидкости в объеме погруженного тела.
Оборудование: прибор «ведерко Архимеда», штатив с муфтой и лапкой, отливной стакан.
С помощью прибора «Ведерко Архимеда» покажите, что объем сплошного цилиндра, погружаемого в воду, равен емкости полого цилиндра.
Затем налив воду в отливной стакан, дождитесь установления уровня воды по нижнему краю отливного «носика». Далее, на штативе с помощью лапки закрепите пружину, к которой подвесьте ведерко, а к нему – исследуемое тело (цилиндр от прибора «Ведерко Архимеда»). Не трогая с места отливной стакан, а, перемещая только штатив с принадлежностями, погрузите цилиндр в воду отливного стакана так, чтобы цилиндр был полностью в воде, при этом не касался стенок стакана. Наблюдайте за водой в стакане. Сделайте вывод о количественной зависимости силы Архимеда от плотности жидкости, от объема погруженного тела.
Задание 12. Проведите демонстрацию с использованием поплавка Декарта.
Оборудование: пробирка, стеклянный цилиндр высотой не менее 50 см., резина, вода (можно использовать пластиковую бутылку).
Для закрепления знаний по передаче давления жидкостями, закона Архимеда и плавания тел полезно поставить опыт с Картезианским водолазом.
Задание 13. Продемонстрируйте плавание тел.
Оборудование: тела из дерева, пенопласта, парафина, аквариум с водой.
Для сравнения глубины погружения тел в сосуд с водой опустите тела из дерева, пенопласта, парафина.
Задание 14. Продемонстрируйте принцип действия понтонов (выполняется при наличии принадлежностей).
Оборудование: волейбольная камера, груз, аквариум с водой, насос.
Покажите подъем затонувшего судна. В качестве понтона можно использовать волейбольную камеру, привязав ее к гире (или кирпичу), изображающей судно. В камеру накачайте насосом воздух вплоть до всплывания судна.
Задание 15. Ознакомьтесь с демонстрацией закона Архимеда с помощью весов Беранже (выполняется при наличии принадлежностей).
Оборудование: весы Беранже, отливной сосуд с водой, деревянный брусок, набор грузов.
На весах уравновесьте отливной сосуд с водой (рис. 48). В воду опустите деревянный брусок. Равновесие весов при этом нарушится, но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытечет из сосуда, равновесие весов восстановится.
По рисунку сформулируйте задачи для решения учащимися.
Задание 16. Продемонстрируйте действие атмосферного давления.
Оборудование: аквариум с водой, стеклянный цилиндр с поршнем, стакан с водой, лист бумаги.
Поднимая поршень вверх, пронаблюдайте за поведением воды (рис. 49). Объясните явление, где оно используется.
Налейте в стакан воды, закройте его листом бумаги и, поддерживая лист рукой, переверните стакан вверх дном. Далее уберите руку от бумаги и пронаблюдайте, что вода из стакана не выливается какое-то время. Объясните, почему это возможно?
Контрольные вопросы и задания
1. Подтвердите на опытах законы Архимеда и Паскаля.
2. Сделайте математический вывод формулы гидростатического давления и закона Архимеда.
3. Скажите как можно доказать существование архимедовой силы в газах?
4. Объясните гидростатический парадокс.
5. Сформулируйте условия плавания тел на примере опыта с картезианским водолазом.
6. Каким образом Архимед определил, что корона царя Герона сделана из сплава золота и серебра.